浅谈永磁机构真空断路器

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欢迎访问e展厅 展厅 6 配电输电设备展厅 电力电缆, 电气控制柜, 配电箱, 电抗器, 断路器, ... 根据我国目前使用的6-35kV真空断路器的操作机构都是弹簧机构和电磁机构的现状，鉴于弹簧机构存在零部件多，制造工艺复杂，运行容易引起机械故障，而电磁机构存在驱动功率较大，接触力较小且合闸时容易引起触头跳动等问题，严重影响真空断路器的性能和可靠性。为了克服弹簧机构和电磁机构的不足，提高6-35kV系列真空断路器的可靠性、安全性及使用寿命，降低驱动功率。 ISB系列6-35Kv永磁机构真空断路器具有高可靠性、结构简单、安全性、使用寿命长、低驱动功率、性价比高等技术特点，可以满足电网安全稳定运行的要求。 永磁机构是一种用于中压真空断路器的永磁保持，电子控制的电磁操作机构，与断路器使用的传统弹簧机构和电磁机构相比，永磁机构采用了一种全新的工作原理和结构，工作时主要运动部件极少，无需机构脱、锁扣装置，故障源少，具有较高的可靠性，因而已成为开关制造企业与电网企业及高新重工企业关注的热点，具有非常广阔的市场前景。 克服传统弹簧机构和电磁机构的不足，将永久磁铁应用于操动机构中，使真空断路器分、合闸位置的保持通过永久磁铁实现，取代传统的锁扣装置。 这种磁力机构具有永久磁铁和分闸、合闸控制线圈，这种机构的特点是： (1)永久磁铁与分闸、合闸控制线圈结合，解决了合闸时需要大功率能量的问题。 (2)真空灭弧室的动触头靠永久磁铁产生的力通过拐臂、绝缘拉杆使其保持在合闸、分闸位置上，取代传统的机械锁扣方式，机械结构大为简化，仅有几个活动部件，零件总数约为50件左右，耗材少，节能且成本低。 (3)操动机构无需机械锁扣和辅助电器，机械动作的可靠性大大提高，能够实现免维护，节省维修费用。 (4)真空断路器采用永磁操动机构，永磁力可保证100年不消失，该机构寿命高达10万次，以电磁力进行分合闸操作，以永磁力进行双稳态保持，简化了传动链，降低了能耗和噪音。开断能力强，安全可靠。与传统的弹簧机构和电磁机构相比，机械寿命至少提高3倍。 (5)采用先进的真空灭弧室，额定电流为630A-3150A，额定短路开断电流为31.5kA—40kA，技术性能达到世界领先水平。 (6)断路器机构简单，布局合理。真空灭弧室纵向安装在绝缘筒内，即使在恶劣的环境下，仍能保持很高的抗爬电性能及绝缘性能。本产品无爆炸、无污染、噪音低、体积孝重量轻、寿命长。 真空断路器作为控制和分配电能的开关元件越来越广泛的应用于电力行业。达到提高6-35kV系列真空断路器可靠性、安全性及使用寿命的目的。 随着社会科技程度的提高，电力行业及广大终端用户对开关设备的性能要求愈来愈高。目前，6-35Kv系列永磁机构真空断路器在发达国家作为中压断路器已被广泛使用，国内已开始进口永磁机构真空断路器，并投入财力、人力进行相关的研究和开发，一些国际知名企业(如：AAB公司，日本三菱，东芝公司)已经开始销售他们的产品。由于永磁机构真空断路器具有高可靠性、长寿命、免维护等突出优势，相信6- 35kV系列永磁机构真空断路器将逐步取代传统的电磁机构和弹簧机构断路器。 真空断路器永磁机构的发展 自1961年美国GE公司研制成功第一台真空断路器以来，真空断路器的技术水平迅速提高，其中，随着触头新结构及材料的研制，真空断路器的开断能力不断提高，真空断路器作为控制和分配电能用的开关元件越来越广泛地应用于电力系统，并在中压领域保持着主导地位。 真空断路器由于其真空灭弧室具有无与伦比的特性，使其电寿命大大增加，由于操作机构技术水平的不断提高，其机械寿命也从传统的两千次跃增为几万次。真空断路器由于采用了真空灭弧室这一先进技术产品，其电寿命得到充分保证。与之配合的操作机构的机械寿命及可靠性就成了影响真空断路器综合特性的突出问题。 开关设备的一个最基本性能的要求就是操作机构的可靠性，我国中压开关设备最突出的问题就是操作机构可靠性不高和绝缘问题，这方面与发达国家相比有较大的差距。目前，在发达国家纷纷提出并推出新一代免维护的高压开关产品。 真空断路器的发展状况 目前，国内外电力系统中使用的中压真空断路器品种繁多，型号众多，其特点各异，但概括起来，从绝缘角度来讲，有空气绝缘和复合绝缘，从总体结构上讲，有断路器和机构一体式和分体式(国内居多)，从操动机构上讲作为中压开关产品主要是电磁机构和弹簧机构。 目前，国际上真空断路器的设计、制造领域逐步形成了以德国西门子公司为代表的空气绝缘产品和以ABB公司为代表的复合绝缘产品的两大派别。西门子公司的产品有3AF、3AG及3AH等系列产品，其操动机构均为弹簧机构。从3AF到3AH，其操动机构在设计上日趋合理，调整环节减少，更有利于提高初分速度，机构也更加省力，但制造精度要求更高。 ABB公司的代表产品有VD4，它采用复合绝缘方式，产品结构紧凑，其操动机构为弹簧机构。 日本三菱电机VPR型真空断路器，其灭弧室由一浇注的支架绝缘，该支架将三相分开，相间距小，结构紧凑，采用弹簧机构驱动，其特点是结构简单，零部件比老式机构少，采用具有单向离合器的正齿轮机构使储能过程平稳，能耗低，噪声小。 国内生产的真空断路器归纳起来大致可分为三类：1)引进技术并国产化的产品。如引进西门子3AF，产品技术生产的ZN12-12，ZN18-12，引进日本东芝公司VK系列产品技术，生产的ZN21-12，引进比利时EIB公司的产品技术；生产的ZN67-12等。2)在借鉴国外同类产品的基础上开发的产品，如：ZN63-12和ZN65-12分别效仿ABB公司的VD4产品和西门子公司的3AH产品，其操动机构为弹簧机构。3)自行设计的产品，如： ZN15-12，ZN28-12，ZN30-12等，其操动机构为电磁机构或弹簧机构。 操动机构 断路器的全部使命，归根到底是体现在触头的分、合动作上，而分、合动作又是通过操动机构来实现的，因此操动机构的工作性能和质量的优劣，对断路器的工作性能和可靠性起着极为重要的作用。开关设备的操动机构需要较多的机械零件组成，这不仅成本高，而且可靠性低，因为故障率上升的可能性是和零件的数量成正比的。目前常用的操作机构有弹簧机构和电磁机构两种。弹簧操动机构是利用已储能的弹簧为动力使断路器动作的操动机构。弹簧储能通常是由电动机通过减速装置来完成。整个操动机构大致可分为弹簧储能、维持合闸与合闸维持和分闸四个部分。弹簧操动机构的优点是不需要大功率的直流电源，电动机功率小，交直流两用，适宜交流操作；其缺点是结构比较复杂，零件数量多(约为200个)，且要求加工精度高，制造工艺复杂，成本高，机构的可靠性不易保证。 电磁操动机构的优点是结构简单，零件数量少(约为120个)，工作可靠，制造成本低，但其缺点是合闸线圈消耗的功率太大，触头的压力较小，加上机构的笨重，动作时间较长要求用户配备价格昂贵的蓄电池组等。 永磁操动机构 永磁机构是在弹簧机构和电磁机构的基础上，克服其不足，将永久磁铁应用于操动机构中。设计中使真空断路器分合闸位置的保持通过永久磁铁实现，取代了传统的锁扣装置。这种磁力机构具有永久磁铁和分闸、合闸控制线圈，当合闸控制线圈通电后，它使动铁心向下运动，并由永久磁铁保持在合闸位置；当分闸控制线圈通电，动铁心向反方向运动，同样由永久磁铁将它保待在另一个工作位置即分闸位置上，也就是说，该机构在控制线圈不通电流时它的动铁心有两个稳定工作状态，(合闸和分闸)。也称双稳态电磁机构。这种机构的特点是： (1)其吸力特性可以较为理想地满足真空灭弧室的工作需要 真空断路器操动机构与其他类型如：空气、油、SF6断路器的操动机构有着明显不同，真空断路器的灭弧室动触头行程小(8～12mm)，动静触头为平面接触，合闸时，动静触头为碰撞接触，为了防止真空断路器在短路时，触头被巨大的电动力斥开，采用触头弹簧以使触头间有较大压力(20kA,2000N； 31.5kA,3100N；40kA,5000N),同时有利于提高分闸速度。 (2)永久磁铁与分、合闸控制线圈结合，解决了合闸时需要大功率能量的问题，因此，降低了分、合闸控制线圈的电流。也减小了操作机构的结构和物理尺寸。 (3)真空灭弧室靠永久磁铁产生的力使其保持在合闸、分闸位置上，取代了传统的机械锁扣方式，机械结构大为简化，(仅有几个活动部件，零件总数约为50个)。 (4)操动机构无需机械锁扣和辅助电器，机械动作的可靠性大大提高，真正实现了免维护。 (5)由ABB在英国和美国的工程师联合开发了一种新型VM1型真空断路器，采用了仅有7个活动元件组成的磁力驱动装置代替有数百个零件组成的传统机构。其分合闸位置均靠永久磁铁的磁能保持。采用这种无磨损的真空断路器机构在其10万次的操作寿命中不需维修，是传统真空断路器寿命的三倍，可节省维修费用。VM1的创新还包括将真空灭弧室用环氧树脂完全浇注形成一体，这样可不受外界因素的影响。真空灭弧室额定短路开断电流的次数为100次。VM1真空断路器的额定电压目前为12kV、17kV和24kV，额定电流为630-1250A，额定短路开断电流为20kA或25kA。更高电压等级和大开断能力的产品正在研制中。 (6)荷兰Holec的MMS型真空断路器采用永磁机构驱动，其短路开断电流为31.5kA。该操动机构中，合闸、合闸保持和分闸的磁路是分开的，且只有真空灭弧室的合闸位置是靠永久磁铁保持的，机构的终止位置是分闸位置，其分闸动作基本上是被动的，不需要提供额外的能量，仅靠触头弹簧和分闸弹簧的力完成。 ——永磁材料的发展及应用 1983年，被称为"磁王"的第三代稀土永磁材料--钕铁硼材料的问世，震动了与永磁材料有关的许多技术领域。钕铁硼材料优异的磁性能是其他永磁材料所望尘莫及的，且其资源丰富、便宜，因而被广泛推广应用。这种新的永磁材料的出现，对工业技术领域产生了革命性的影响，被全世界各国重视。 我国近年永磁材料技术也获得了突飞猛进的发展，与世界先进国家的差距正在日益缩校我国稀土资源非常丰富，储藏量居世界之最，其价格随着生产技术的提高，工艺的改进，也在大幅度降低。 虽然我国拥有永磁材料的生产技术，但永磁材料在中压真空断路器操动机构中的应用尚属空白。新型的永磁机构就是运用这些新材料、新工艺及新原理，使真空断路器的磁力驱动装置实现低能耗、高可靠性。 永磁机构的关键性技术解析： 目前，真空断路器在6～35kV输配电系统中已经得到了广泛的应用。现在真空灭弧室技术应该说已经相当成熟，比如世界上现在已经有了可开断100kA短路电流的断路器，因此没有更多的必要考虑去提高真空断路器的开断容量。或者说，对于中压开关设备，目前迫切需要的不是提高开断容量而是降低造价、提高可靠性及免维护设计。就目前的制造水平而言，包括我国自行设计和生产的真空灭弧室，其可靠性已经达到了相当高的水平，但在实际运行中，开关设备的可靠性却不容乐观。统计资料表明，设备故障中约有70%～90%以上为操作机构机械故障。因此，提高真空断路器可靠性的主要途径就是改进真空断路器的操作机构。永磁机构真空断路器在真空灭弧室和操作机构上采用了新设计，它可以使真空断路器的电气特性更好、机构结构更简单。这种设备由以下部分组成： (1)固态聚碳酸脂制成的固体绝缘； (2)密封于固体绝缘中的主回路部件(真空灭弧室和接线端子)； (3)通过绝缘拉杆与真空灭弧室动触头连接，采用永磁闭锁的操作机构；(4)利用同步轴实现三相联动和机械互锁。 永磁机构的技术难点：(1) 驱动功率要小，体积也要小；(2 )电子控制系统的高可靠性；(3)手动分闸的初分速度要足够大； ISB(6-35Kv)系列永磁机构真空断路器已经解决了上述难题。 主要技术路线是：原装引进、消化、吸收俄罗斯ESP 电气(集团)公司35kV、10kV永磁机构真空断路器的生产技术、生产工艺，掌握6-35kV系列永磁机构真空断路器的技术难点问题。 实现降低机构的驱动功率(≤2kW)，提高可靠性，保证手动分闸的速度足够大(≥0.7m/s),机构寿命5-10万次，电寿命≥5万次，短路开断电流31.5kA或40kA等技术指标。 永磁操动机构所具有的特点： (1)采用双稳态机构设计。这种磁力机构具有永久磁铁和分闸、合闸控制线圈。当合闸控制线圈通电后，它使动铁心向下运动，并由永久磁铁保持在合闸位置。当分闸控制线圈通电后，动铁心向反方向运动，同样由永磁铁将它保持在另一个工作位置即分闸位置上。合闸和分闸位置均采用永磁锁扣。 (2)由动铁心的上下运动，通过拐臂杆，绝缘拉杆作用于真空灭弧室的动触头，实现合闸或分闸。 (3)双线圈分别控制分合闸操作。即分闸通过分闸线圈控制，合闸通过合闸线圈控制。提高了机构的可靠性。 (4)新的磁路设计。增大合、分闸的保持力，减小对合、分闸时线圈电流的要求。 (5)解决合闸弹跳问题。设计软连接、触头辅助压簧和聚碳酸脂模铸外壳，解决合闸弹跳问题。 (6) 控制首开相燃弧时间，使首开相燃弧时间控制在1ms。 (7)解决分闸反弹问题。设计中增加动触头压簧，保证分闸时动触头不反弹。 (8)保证三相操作的同期性。设计操作机构的下部基座联动轴。保证三相同时进行分合闸操作的同期性。同时可利用此联动轴实现闭锁等辅助功能。 (9)用磁控开关做辅助触点，辅助触点装在联动轴上，不需机械元件，简便可靠。 设备绝缘水平高、结构简单、开断能力强、断路开断电流大、寿命长、且具有无爆炸、无污染、噪音低、体积孝重量轻、免维护等特点。 ISB 系列6-35kV永磁机构真空断路器具有寿命长、可靠性高、开断能力强、断路开断电流大、体积孝重量轻、结构简单、免维护等显著优点。因此，可作为 220kV、110kV、35kV变电站、发电厂和10kV的变电所及煤炭、冶金等重工行业的配电系统的主要开关设备。 随着电力系统改革的进一步深化，电网企业由原来的行业管理性质已经转变成为客户服务的基础产业性的公益性企业，对开关设备的质量和性能要求越来越高。新一代10kV永磁机构真空断路器的诞生，已经成为广大电网企业及终端用户提供了一种全新的选择。 永磁机构采用了一种全新的工作原理和结构，工作时主要运动部件只有一个，无需机构脱、锁扣装置，故障源少，与传统的弹簧机构和电磁机构相比具有较高可靠性，因而成为开关制造企业和电网企业关注的热点。 据不完全统计，全国每年至少需要5万台6-35kV系列永磁机构真空断路器产品，就华中网局公司而言，每年新建220kV、110kV、35kV变电站就有上百座，对35kV、10KV永磁结构真空断路器的需求量非常大，市场前景非常广阔。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (2/1/2007)